高速钻削深孔钻的设计与研究

高伟佳 沈兴全 黄晓斌 雷 韶

(中北大学山西省深孔加工工程技术研究中心，山西 太原 030051)

高速钻削深孔钻的设计与研究

高伟佳 沈兴全 黄晓斌 雷 韶

(中北大学山西省深孔加工工程技术研究中心，山西 太原 030051)

高速钻削加工对深孔钻提出了较高的要求，因此根据深孔加工技术、高速切削技术和流体机械知识，设计出一种在高速运动中能够保持平稳钻削和实现高效排屑的深孔钻。并且运用ANSYS Fluent软件对其排屑通道优化进行分析，验证了高速钻削深孔钻的排屑效果，为以后新型深孔钻的设计与研究提供了新的思路。

高速钻削；深孔钻；ANSYS Fluent

孔加工技术在机械加工领域中占有重要地位，而深孔加工又占到孔加工的40%以上，目前深孔钻仍然是应用最广泛的孔加工刀具[1]。高速钻削技术对提高深孔加工的效率和实现高效排屑具有十分明显的优势。然而刀具钻削速度提高，对深孔钻的平稳钻削和顺利排屑提出了更高的要求，迫切需要对应用于高速钻削的深孔钻作进一步深入研究[2]。本文重点考虑深孔钻头在高速钻削下的平衡、以及应用流体知识解决高速钻削排屑难的问题[3]，对切削刃、流道进行重新设计。应用流体机械理论设计出的高速钻削深孔钻，为优化深孔钻结构和解决高速钻削排屑问题提供新的思路和方法。随后建立了高速钻削深孔钻的流体分析模型，运用CATIA软件建立三维模型，然后利用ANSYS Fluent软件对流体特性进行了仿真，得到此深孔钻内部流体分析结果，并对结果进行分析[4]。本文设计出的高速钻削深孔钻，对深孔加工的发展具有理论意义的价值，为实现高速钻削提供了理论依据。采用3D打印技术，使用光敏树脂材料，将设计出的高速钻削深孔钻做成实物，如图1所示。

1 结构设计

由于深孔加工中的工件内部空间有限，因此深孔钻结构要保证有足够的排屑空间。经典深孔钻的结构为不对称的切削刃，虽然一定程度上解决了上述问题，但是导致在高速运动中产生较大的振幅，不利于高速钻削[5]。本文以刚体系统平衡为入手点，重新分布切削刃位置，并进行排屑通道的优化设计，设计出了高速钻削深孔钻。具体结构为采用四段对称式切削刃。切削刃关于中心对称，形成两对大小相等，方向相反的力偶，产生转动效果。确保新型深孔钻的平衡，实现高速平稳钻削；创新设计出冲击流道，解决BTA钻排屑不畅的情况；并通过改进中间齿流道来促进切削液的高效排屑。

1.1 四段式对称刃结构

高速钻削深孔钻头的最大改进是采用四段对称式切削刃结构，四个切削刃受到的切削力分成两对力偶，产生转动效果，如图2所示。

切削刃结构主要分为中心齿区域、周边齿区域和导向条。

中心齿区域：位于高速钻削深孔钻的中心，有两个切削刃关于钻体几何中心对称排列。作用在两个切削刃上的力大小相等，方向相反，构成一对力偶，使钻头只呈现纯转动效果。高速钻削深孔钻的中心齿区域两个切削刃之间采用空心的设计，运用两个切削刃切削相互拉扯使切屑断裂来排出。

周边齿区域：位于高速钻削深孔钻周边，有两个切削刃关于钻体几何中心对称排列。作用在两个切削刃上的力大小相等，方向相反，构成力偶。使钻头只呈现纯转动效果。与中心齿周向相位成90°角。前刀面的方向都为逆时针方向。周边齿的最外沿与工件内壁相接触，不仅提高了工件壁的加工精度，同时也起到了支撑作用，能够有效减缓高速运动带来的横向振动。

导向条区域：导向条采用对称结构，与中心齿在同一径向线上，与周边齿周向相位成90°。与周边齿一起承担着减缓高速钻削带来的横向振动的作用。

这样，钻头在高速运动当中，四个切削刃关于中心对称，受到的切削力偶不会对钻头的偏移产生影响，切削力动平衡。在振动方面，周边齿和导向条与工件内部接触，能有效抵抗高速带来的横向振动。

1.2 流道设计

与经典深孔钻的不同之处是在高速钻削深孔钻的外壁开一条冲击流道，其形状为梯形，通过仿真得知不仅不影响钻体的结构强度和刚度，而且能提高流体的冲击速度。冲击流道的结构如图3所示。

切削液从冲击流道下端开始沿着梯形槽流进，随着梯形槽空间逐渐减小，流体静压力快速转化为动压力，促使流体流速加快，达到喷射效果，直接作用于整个切削区域。此后切削液折线反弹进入喉部。这样能够使切削液流速加快进入内孔，提高排屑率，并冷却切削区域。

现有深孔钻流道的数值仿真研究文献对深孔钻内部复杂情况研究较少[6]。通过 Fluent软件对深孔钻内流道的仿真，认真分析切削液在深孔内部压力损失情况。设计出冲击流道，改善钻头喉部漩涡带来的动能损耗，有利于实现高效排屑。除了对冲击流道的大胆提出，还在中心齿区域和底部排屑流道交汇于处结构创新，进行了中心齿区域的流道设计，如图4所示。此通道呈现扇形，增大了流体空间，有利于切削液流入中心齿喉部，把切屑压入垂直的内孔排屑通道。

如图5所示，底部流道呈中心对称形状，中心齿排屑流道自下而上空间呈比例放大，增大了容屑体积，有利于更好的排屑。周边齿排屑流道角度上扬20°，根据切削液冲击切屑反作用形成的折线运动轨迹而设计的流道。两个周边齿排屑流道流速较快，中心齿排屑流道流体是漫流而入，流速相对较慢，而冲击流道反作用流入排屑流道，流速较快。与中心齿排屑流道流速形成负压，形成吸附作用，促使中心流道加速排屑。

2 流体特性分析

在深孔钻削过程中，不能直接观察到切削液在深孔钻内部的运动情况，只能通过观察排屑是否顺畅和通过切削液油压的大小来调节流量[7]。而流体机械作为一门新兴学科，能够阐述流体在外界作用力下的运动规律以及流体的运动情况[8]。ANSYS Fluent软件提供了很多解决湍流问题的数学模型，可以比较准确地模拟流体的运动情况。因此，运用Fluent进行模拟仿真，可以间接观察流体在深孔钻内部的运动情况[9]。

2.1 三维模型建立

高速钻削深孔钻流体结构分为冲击流道、中心齿流道、喉部、排屑通道，如图6所示。

冲击流道为深孔钻外壁开的一个梯型槽，切削液由此进入。中心齿流道是切削液进入中心切削区域，然后自下而上垂直进入内孔排屑通道。排屑通道是喉部交汇成的圆柱排屑区域。喉部开口呈扇形，下半部呈锥棒状，液压油通过供油通道冲刷切削区域后160°返回至喉部。

本文的切削液为46#液压油，分析采用Fluent模块，模拟出此深孔钻在2.5 MPa流体压力下各部位的流体运动状态，得出全压损失对排屑效果的影响，从而确定理想的排屑条件。

高速钻削深孔钻三维计算模型的建立以实际尺寸为依据。如图7所示是用CATIA软件建立的高速钻削深孔钻与工件作布尔运算得到的三维计算模型和用workbench中meshing划分的网格图，采用四面体网格，划分了179 768个网格单元，46 745个节点。

高速钻削深孔钻内部流场属于高湍流场，采用RNGK数学模型，更符合流道内部高湍流动的实际情况。雷诺数为Re=28 982属于湍流运动。深孔钻内部流体进行强旋流动，压力的离散项采用中心差分格式法，动量方程采用三阶精度QUICQ格式进行离散，速度与压力耦合采用乘方格式算法进行处理。进口用质量流量入口Mass Flow Inlet，每小时提供12 m3液压油。出口边界类型选择outflow自然流场出口。边界条件包括入口压力边界(2.5 MPa)，移动固壁边界绕Y轴31.4 rad/min 等。湍流强度I=0.044，耗散率为923。

2.2 流体压力分析

如图8所示，高速钻削深孔钻的切削液在梯形槽入口处缓冲了压力，不会出现压力急剧下降的情况。整个过程中，切削液静压力由3 MPa上升到3.9 MPa，再减小到2.6 MPa，直到流至切削区域压力再次升高到3.9 MPa。静压力能够持续地给切削液带来动能，保证顺畅排屑。供油通道位置流体静压为3.7 MPa、动压为0.619 MPa，计算出切削液全压为4.33 MPa。同理计算出排屑通道出口的全压为3.85 MPa。高速钻削深孔钻全压损失在0.48 MPa，根据流体基础理论可知，水头损失公式为h=ξv2/2g，计算出钻头的局部阻力系数ξ的值为2。由此可知增加梯形进油槽能使切削液保持较大动能，有利于高效排屑。

2.3 流体流速分析

如图9所示，高速钻削深孔钻结构上的改变带来了新的突破。流体整体在梯形槽出口，流速达到了44.6 m/s。在切削区域，流速逐步降低，又迅速升高到30 m/s。流体方向呈现折返轨迹，方向单一，没有出现流体乱流。有利于对切屑的排出。切削液流进内孔排屑通道处，由于四个流道的回合，流速突然减小，压力增大。过20 mm后，压力释放，转化为动能，速度提升至35 m/s，有利于排屑。

新的结构促使流体压力得到了释放，提供了持续的动能。钻头内的速度提升明显。避免了流体在喉部产生漩涡而损耗动能。新结构给流体在高效排屑方面带来了质的飞跃。

2.4 流体运动轨迹分析

通过流体的轨迹图10可以看出，切削液在高速钻削深孔钻内部，通过喉部的过程中顺利折返，切削液作用于切削区域并反弹至排屑通道内，流体流动方向转动了160°。在中心齿区域流线也比较顺畅，自下而上垂直地进入排屑通道，因此结构设计是合理的。

3 结语

本文在深孔钻内部空间有限的前提限制下，以提高排屑效率、保证平稳钻削为入手点，改变切削刃的位置和排屑流道形状和空间位置，设计出了高速钻削深孔钻头。采用四段对称式切削刃结构来保证高速钻削的平稳进行，创新设计出冲击流道，并且优化排屑流道，使切屑能高效排出。此外本文对高速钻削深孔钻在结构设计、排屑流道优化方面，通过ANSYS中的Fluent进行分析，为高速钻削深孔钻结构优化设计提供了理论依据。

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[3]谢峰,刘正士.金属切削过程的有限元建模[J].合肥工业大学学报：自然科学版,2004,27(5):463-467.

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[8]胡敏良,吴雪茹.流体力学[M].武汉:武汉理工大学出版社,2008:6-12.

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Design and research on high speed drilling deep hole drill

GAO Weijia, SHEN Xingquan, HUANG Xiaobin, LEI Shao

(Shanxi Deep Hole Cutting Research Center of Engineering Technology, North University of China, Taiyuan 030051, CHN)

High-speed drilling puts forward higher requirements for deep hole drill, according to deep processing technology, high-speed cutting technology and fluid mechanical knowledge, a deep hole drilling was designed in this paper, which can maintain stable drilling in high-speed movement and make efficient chip removal. And ANSYS Fluent software was used to analyze its chip channel, verify the chip evacuation of high-speed drilling deep hole drill, which provides a new way for the design and research of the new deep hole drilling.

high-speed drilling; deep hole drill; ANSYS Fluent

TG713

A

10.19287/j.cnki.1005-2402.2016.09.007

高伟佳,女，1992年生，硕士研究生，研究方向为深孔加工技术。

(编辑 汪 艺)

2016-07-01)

160912